[논문]Si 나노 입자와 Er3+를 공첨가한 SiO2계 도파로의 제작과 평가

최세원; 고영호; 장세훈; 오익현; 강창석

doi:10.3740/mrsk.2007.17.4.222

문제 정의

9) 이 과정에서 박막 증착 시 클래드 및 코어가 갖는 잔류응 력을 열처리를 통해서 제거하여야 하지만, 이러한 과정에서 응력 방향이 바뀌게 되면 코어에 변형을 가져오게 되어 광 신호의 도파 손실이 커지게 되는 원인이 된다. 본 연구에서는 Si 나노 결정에서 Er3+로의 에너지 이 동을 이용한 광 증폭의 가능성을 확인하기 위하여 여러가지 Si 조성의 채널형 도파로를 제작하였고 열처리 및 Si 조성에 따른 박막의 잔류응력 변화와 그 손실특성을 평가하였다.
본 연구에서는 열처리를 통해서 석출된 Si 나노 결정 을 이용한 Si-Er-SiO₂ 계 도파로의 광 증폭 가능성을 확 인하기 위하여 여러가지 Si 조성의 채널형 도파로를 제 작하였고 열처리 및 Si 조성에 따른 박막의 잔류응력 변 화와 그 손실특성을 평가하였다.

제안 방법

2) PE-CVD(SAMCO, Model PD-160SHR)법으로 15 |jm 두께의 상부 SiO? 클래드를 제작하였다. Fig. 3에 나타내 것과 같이 광 신호(파장변환 레이저, Anritsu, MG9638A) 와 Er3+의 여기 광(LD, NEOARK, LDP-980-190TC)을 광 섬유 커플러를 이용하여 도파로(도파로 길이 15 mm)에 접속하고 출사된 신호를 OSA(Optical spectrum Analyzer, Anritsu MS971C)로 측정하였다
Si만을 첨가한 박막을 코어로 한 채널형 도파로에 있어서 Si 농도 및 열처리 조건의 최적화를 검토하였다. Fig.
3. The experimental set up used to measure the transmission loss of Si-Er co-doped waveguide.
도파로의 코어가 되는 Si-Er-SiO₂ 박막을 RF 마그네 트론 스퍼터법을 이용하여 Ar 분위기 중에서 RF 파워 200 W, 기판 가열온도 300oC의 조건에서 200분 동안 성 막하여 SiO₂ 기 판 위에 두께 5 μm의 코어 박막을 제 작 하였다. 타겟에는 SiO₂ 기 판(10 cm) 위에 Si 웨 이퍼 칩 및 Er2O₃ pellet을 적재하여 사용하였고, Si 웨어퍼 칩의 크기를 변화시켜 Si 첨가량을 조절하였으며, 성막 된 박 막의 조성은 EPMA로 분석하였다 성막 된 박막 중의 Si 나노 결정은 5vol%H₂-Ar 분위기 중 1050oC 에서 5 분 간 열처리를 행 하여 석 줄시 켰 다.
일반적으로 채널형 도파로에 있어서는 상부 클래드를 제작한 후 코어-클래드 간의 잔류응력을 제거하기 위해서 열처리를 행한다. 이때 열처리에 의한 상부 클래드의 변형이 코어에 미치는 영향을 알아보기 위해 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 열처리 순서를 달리하여 Si 농도에 따른 도파로의 도파 손실 변화를 관찰하였다
기 판 위에 두께 5 μm의 코어 박막을 제 작 하였다. 타겟에는 SiO₂ 기 판(10 cm) 위에 Si 웨 이퍼 칩 및 Er2O₃ pellet을 적재하여 사용하였고, Si 웨어퍼 칩의 크기를 변화시켜 Si 첨가량을 조절하였으며, 성막 된 박 막의 조성은 EPMA로 분석하였다 성막 된 박막 중의 Si 나노 결정은 5vol%H₂-Ar 분위기 중 1050oC 에서 5 분 간 열처리를 행 하여 석 줄시 켰 다.

대상 데이터

박막의 두께 및 굴절률은 프리즘 커플러(Metricon, Model 2010)를 이용하여 측정하였고, 박막의 잔류응력은 Fizeau 간섭계 (Zygo, Model PTI250)를 이용하여 측정하였다. Er3+의 형광 특성은 Fig. 1에 나타낸 광학계를 사 용하였고, Si 결정의 여기에는 파장 365 nm의 자외선 LED(Nichia화학, 중심파장 365 nm, 3.5 V, 500 mA)을 이용하였다. 채널형 도파로는 포토 리소그래피와 건식 에 칭으로 ridge형(코어 5 X、5 μm)로 가공한 후(Fig.
본 실험에서 사용된 Si-Er-SiO₂ 시편은 Si 농도가 각각 0, 2.4, 4.9, 7.3, 13.4, 27.1 at%였으며, Er3+은 0.01 at% 로 고정하였다. Er-SiO₂ 시편의 경우, 열처리 전 후 시편 모두 Er 농도가 0.

이론/모형

Refractive indices of thin films at 1545 nm. The pure SiO? film for cladding layer was deposited by PE-CVD method.
박막의 두께 및 굴절률은 프리즘 커플러(Metricon, Model 2010)를 이용하여 측정하였고, 박막의 잔류응력은 Fizeau 간섭계 (Zygo, Model PTI250)를 이용하여 측정하였다. Er3+의 형광 특성은 Fig.

성능/효과

445이 었으며, 코어 박막의 경우 Si 첨가량이 증가할수록 굴절 률이 증가하였고 이는 Nabarro-Umos 등의 결과와 잘 일 치하였다.12) Si 첨가량이 증가할수록 굴절률이 증가하는 이유는 Si 농도가 증가할수록 흡수단이 장파장 방향으로 이 동하고 버/막이 착색되어 Kramers-Kronig 관계에 의해 굴 절률에 변화가 발생되었다고 생각되어진다.13) 이로 인해 코어 층은 Si의 첨가에 의해서 굴절률이 클래드인 SiO₂ 보다 더 상승하기 때문에 채널형 도파로화가 가능하였다.
발광을 효율화 시키는 많은 연구 결과가 보 고되고 있다.2, 3₎Si 나노 결정의 입경이 2~3nin인 경우, Si 나노 결정을 포함한 S1O₂ 이ass의 흡수단은 양자 사 이즈 효과에 의해서 400nm 부근에 존재하게 되고, Er3+ 의 980nm대의 흡수 단면적보다도 훨씬 크게 된다.4) 더 욱이 나노 결정에서 Er3+ 로의 에너지 이동효율은 70% 이 상이라고 보고되고 있다.
01 at%로 매우 낮아 파장 365 nm의 LED와 980nm LD을 이용한 여기에서는 형광 스펙트럼 을 관찰할 수 없었다. Si-Er-SiO₂ 시편의 경우는 파장 365 nm의 LED를 이용하여 Si를 여기 시켜 Er3+의 형광 특성을 조사한 결과, 열처리 전에서는 모든 시편에서 Er 의 형광 스펙트럼을 관찰할 수 없었으나, 열처리 후의 시 편에서는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 Si 농도가 증감함에 따라 형광 강도가 증가하였다. 이는 열처리를 통해 박막 속의 Si들이 나노 결정화 되고 이 Si 나노 결정들이 LED 에 의해 여기되면 그 에너지가 Er3+에 전달되어 형광 강 도가 강해진다는 Fqjii 등의 결과와 일치하며9), Si의 석출 이 Er의 형광 강도에 큰 영향을 준 것을 알 수 있다
6는 코어 박막에 첨가된 Si 농도 변화에 따른 파장 1545 nm에서의 굴절률을 나타내고 있다. 상부 클래드가 되는 SiO₂ 박막의 굴절률은 1050oC 에서 열처리 후 1.445이 었으며, 코어 박막의 경우 Si 첨가량이 증가할수록 굴절 률이 증가하였고 이는 Nabarro-Umos 등의 결과와 잘 일 치하였다.12) Si 첨가량이 증가할수록 굴절률이 증가하는 이유는 Si 농도가 증가할수록 흡수단이 장파장 방향으로 이 동하고 버/막이 착색되어 Kramers-Kronig 관계에 의해 굴 절률에 변화가 발생되었다고 생각되어진다.

후속연구

장래적으로는 감 쇠하는 광 신호를 어느 거리 간격으로 증폭하기 위해서 광 증폭기가 필요하며, 이 경우 증폭기는 맨홀이나 전주 등, 상당히 가혹한 조건하에서 좁은 공간에 수납할 필요가 있고, 간선계에서 사용되는 대형 광 섬유형 광 증폭 기가 아니라 컴팩트하고 저렴한 도파로형 증폭기가 바람 직하다. 더욱이, 간선계의 증폭기를 그대로 사용할 경우에 필요한 전력 소비량은 거대한 양이 되기 때문에 새로운 증폭기구의 개발이 필요하다.1) 최근에는 박막 속에 Er3+과 함께 Si을 첨가하여 Si을 나노 크기로 만든 후 Er3+의 여기 .

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